高速水流下新型抗冲耐磨材料的开发研究.docVIP

高速水流下新型抗冲耐磨材料的开发研究 陈改新 中国水利水电科学研究院，北京，100044 摘要:随着西部大开发和西电东送发展战略的实施，我国要兴建一批大型高水头电站，其泄水建筑物泄流流速均达40～50m/s，对抗冲磨混凝土和过流面抗冲耐磨防护材料的性能提出了更高的要求，促进了水工抗冲耐磨材料的发展。本文介绍了近年来在新型高抗冲磨材料研究方面取得的进展，主要内容包括：多元胶凝粉体新型抗冲磨混凝土的开发研究；降低高强抗冲磨混凝土体积收缩的技术措施研究；“海岛结构”环氧树脂合金抗冲磨防护材料的开发研究；聚脲高抗冲耐磨防护材料和喷涂技术研究；圆环高速含沙水流冲刷试验仪的研制等。 关键词: 高速水流，冲刷磨损，抗冲磨混凝土，环氧砂浆，聚脲弹性体，喷涂技术 1 前言 含沙高速水流对水工建筑物过流面混凝土的冲磨破坏是水电工程建设和运行中的疑难问题。高速含沙水流对水工混凝土建筑物过流面的冲刷磨损、空蚀作用会导致表层混凝土大面积剥蚀，严重的则引发灾难性事故发生，因此历来备受重视。我国从60年代就开始进行抗冲磨材料的应用研究，主体思路是通过提高抗压强度来提高过流面混凝土的抗冲磨性能，同时加强对过流面混凝土的防护并及时对薄层冲磨破坏进行修补。随着材料科学的发展和进步，抗冲磨混凝土的抗压强度逐渐由早期的C25提高到C50～C70，以硅粉混凝土或改性的硅粉混凝土为主的抗冲磨混凝土得到普遍应用；薄层抗冲磨防护材料和薄层冲磨破坏修补材料则以改性的环氧砂浆为主，如低粘度环氧砂浆、低温潮湿固化环氧砂浆、弹性环氧砂浆等；以环氧树脂改性为主的抗冲磨防护涂料，如用增韧组分和互穿网络技术改性的柔性环氧抗冲磨涂料，开始在工程中获得应用[1]。 进入二十一世纪，随着西部大开发和西电东送发展战略的实施，我国要兴建一批大型高水头电站，如小湾、龙滩、拉西瓦、构皮滩、溪落度、向家坝、锦屏、白鹤滩、糯扎渡等，其泄水建筑物泄流流速均达40～50m/s，对抗冲磨材料的抗裂性、抗冲磨能力和快速易施工性（特别是对防护和修补材料）等均提出了更高的要求。目前在我国水电工程中普遍应用的硅粉系列抗冲耐磨混凝土、改性环氧树脂砂浆和防护涂料无疑均具有较好的抗冲耐磨能力，这已被大量的室内试验研究和工程应用所证明，但由于选用原材料、组成配方和技术路线的限制，使其在工程施工和应用中也暴露出自身难于克服的种种弱点。硅粉系列抗冲磨混凝土早期强度发展过快，中后期强度增长微小，水化热集中释放，干缩和自干燥收缩大，极易发生裂缝；改性环氧类抗冲耐磨砂浆和防护涂料仍含有较多易挥发性溶剂组分，在潮湿和有水环境下的易施工性没有得到显著改善，柔韧性仍显不足，容易空鼓、开裂和成片剥落。针对当前抗冲耐磨材料在工程应用中存在的遗留问题，结合西部大开发，实现西电东送，兴建大型高水头电站对高抗冲耐磨材料的需求，在国电公司科技项目的资助下，及时展开了“高速水流下新型高抗冲耐磨材料的开发及应用”研究，充分利用现代材料科学发展的新成果和新技术，采用全新技术思路，开发新一代的高性能高抗冲磨材料，以满足当前及今后兴建高坝大库对高性能抗冲耐磨材料的需求。 2 多元胶凝粉体新型抗冲磨混凝土的开发研究① 在水泥中掺入具有不同颗粒分布和活性的细掺合料可以获得多元胶凝粉体材料。多元胶凝粉体材料的核心思想是紧密堆积效应和复合胶凝效应。通过掺入特定颗粒分布的粉体调整水泥熟料粉体的颗粒级配，使混合粉体具有紧密堆积结构；优化多元胶凝粉体的活性组分、含量和细度，调控其各组分胶凝反应的进程匹配，水化放热过程和强度发展过程，达到根据需要定制设计多元胶凝粉体，用于配置高性能高抗冲磨混凝土，克服硅粉系列抗冲磨混凝土早期强度发展过快，水化热集中释放，干缩大的弱点，充分利用中后期的强度增长。 照片1 是90%水泥+10%硅粉含水浆体的环境扫描电镜（environmental scanning electron microscope, ESEM）形貌，可以看出，浆体的空隙率很大，即使掺入10%的硅粉仍然存在大量5μm以下空隙，这主要是由硅粉颗粒（0.5～1μm）和水泥颗粒（30～40μm）的不匹配造成的。同时也说明，只有粒径小于5μm的粉体与水泥混合才有可能产生紧密堆积效应。按照紧密堆积理论模型，硅粉颗粒很细，能填充水泥颗粒间的空隙，获得紧密堆积。但实际状况是硅粉太细，有相当一部分吸附在水泥颗粒表面，而填充在水泥颗粒之间空隙中的硅粉基本以絮凝状态存在。照片2是多元胶凝粉体含水浆体的环境扫描电镜形貌，细掺料的调粒和填充作用使浆体空隙明显降低，堆积结构更加致密。 照片1 90%水泥+10%硅粉浆体ESEM形貌 照片2 多元胶凝材料浆体的ESEM形貌 混凝土是一种多相复合材料，振捣密实的混凝土由骨料体系和浆体体系构成。粗骨料级配、砂子